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蟹狀星雲與超新星爆炸

91/09/05 瀏覽次數 10500
人人都愛看節慶中的煙火,砰然一聲煙花四射,絢爛光華瞬間在夜空中綻放,短暫的光之舞曲,令人驚豔、讚嘆、留戀。在浩瀚的星空中,也有如煙花一般瞬間燦爛四射、光芒耀眼令人驚豔的超新星爆炸事件。超新星,星空中的超級煙火秀,是重質量恆星死亡前的璀璨,是獵星人最渴望的獵物。只要在銀河系統中發現超新星,立即成為全球矚目的對象;例如1987年在大麥哲倫星系中發現的超新星1987A,就使得所有地面望遠鏡與太空望遠鏡,只要能夠看見超新星1987A的,都暫時終止原先的任務轉而對準這顆超新星。

日本與美國一些彗星狩獵者,早在1980年代就覺得搜尋彗星已經不再具有挑戰性,轉而搜尋超新星。只是,絕大多數發現的超新星都屬於遙遠的星系,再怎麼光輝燦爛,在數百萬光年至數億光年的遙遠距離外,看來也只不過是個小光點。而太陽又位於銀河系內塵埃密布的盤面上,無法穿透雲塵看到遙遠的星光,因此只能被動地等待附近的超新星爆炸事件。

在望遠鏡發明以前,歷史上有三顆最著名的超新星:1054年發生在天關(今金牛座)的中國超新星,1572年發生在仙后座的第谷超新星,以及刻卜勒在1604年發現,位於蛇夫座的刻卜勒超新星。再來便是轟動全世界的超新星1987A,於1987年2月被發現位於大麥哲倫星系中。大麥哲倫星系是我們銀河系的衛星系之一,距離只有17萬光年,從天文學的觀點來看,1987A近得就像在隔壁的房間一樣。

發生於1054年的中國超新星,在中國古書上稱為「天關客星」。中國古代常將許多異常的天象紀錄稱為「客星」,表示天上原來沒有這顆星,突然出現一陣子又消失了,像做客一樣,所以稱為客星。經過考證,發現其中有些客星是彗星,但有些確是超新星。

天關客星

《宋史會要》分別在1054年與1056年詳細記載了天關客星發生與消逝的經過。先是「至和元年五月(1054年7月4日)楊惟德言:伏睹客星出,見其星上微有光彩黃色。謹案皇帝掌握占云:『客星不犯畢,明盛者,主國有大賢。』乞付史館,容百官稱賀」。兩年後的四月,同一書記載:「客星歿,客去之兆也,守天關,晝見如太白,芒角四出,色赤白,凡見二十三日」。

中國星野中的「天關」大約位於金牛座牛角尖附近;「畢」為二十八星宿之一,位於金牛座頭部。「守天關」表示停留在天關,沒有移動,明顯表示不是彗星。最亮時比金星還亮,光芒亮到連續23個白天都可以看見,一共出現653天才消失。由天關客星的亮度、變暗過程的描述,都符合超新星的情形。

宋朝天官楊惟德將天關客星做為占卜之用,認為客星不在「畢宿」出現,表示國有偉大賢能的君主。客星消逝後,便成為陳年往事,埋沒在浩瀚的典籍之中。

蟹狀星雲發現史

滿天星斗中,如果有任何明顯的異常現象,很容易引起注意。伽利略在1609年將自製的望遠鏡對著天空,觀察月亮、金星……之後,開啟了一扇通往宇宙深處的天窗。天文學家競相製作更大、更好的望遠鏡,來觀察種種天象。很快地,許多人注意到星空中除了星星以外,還有許多模糊、像雲一般的天體,稱為「星雲」。

英國人畢斐斯(John Bevis, 1695-1771)在1731年第一次注意到金牛座牛角尖附近有一個黯淡的星雲。隨後,法國業餘天文家梅西爾(Charles Messier, 1730-1817)在1758年9月12日晚上搜尋彗星時,也發現同一星雲。他原先以為是彗星,但失望地發現它動都不動。這使得梅西爾開始製作一份星雲目錄,免得誤認這些星雲為彗星而空歡喜一場。梅西爾在1764年出版的星雲目錄中,將金牛座發現的星雲編為第一號,因此稱為「梅西爾一號」,簡稱M1。

此後,許多天文學家如柏德(Johann E. Bode, 1747-1826)、赫瑟爾父子(William Herschel, 1738-1822 and John Herschel, 1837-1921)都觀察過這個星雲。其中,羅斯爵士(Lord Rosse, 1840-1908)用當時最大的36吋反射鏡,在1844年觀測並描繪M1,發現它有許多絲狀體,看起來像蟹腳。羅斯爵士在1848年出版的一份天文目錄上用了「蟹狀星雲」的字眼,便一直沿用到現在。

蟹狀星雲在膨脹中

兩百多年來,蟹狀星雲一直是天文學家最喜愛研究與觀測的對象之一,只要有任何新技術,都會用來觀察蟹狀星雲。例如,天文攝影、電波望遠鏡、光譜、X光天文衛星、哈伯太空望遠 鏡……,都在最初階段就用來觀測蟹狀星雲。

第一張蟹狀星雲的照片是在1892年攝得,而史力佛(Vesto Slipher, 1875-1969)在1913至1915年拍攝蟹狀星雲的光譜,發現其中的譜線分裂成兩條,顯示星雲中有一部分靠近我們,有一部分遠離我們。顯然的,整個星雲在膨脹中,面向我們的部分在靠近中,背向我們的部分在遠離中。

在1921年,各地的天文學家對蟹狀星雲有不同的發現。其中羅威爾天文臺(Lowell Observatory)的藍姆藍德(C. O. Lampland, 1873-1951)使用口徑42吋(85公分)的反射鏡拍攝到一些非常好的照片,他注意到星雲中某些單獨的區塊在移動與變化著。美國威爾遜山天文臺的杜坎(J. C. Duncan, 1882-1967)比對兩張相隔十一年六個月的照片,發現蟹狀星雲以每年零點二角秒的角速率在膨脹著。隆馬克(Knut Lundmark, 1889-1958)注意到蟹狀星雲的位置,與中國1054年天關客星的位置相符合。

如果蟹狀星雲一直以相同的速度膨脹,則應推算至1054年左右開始膨脹;若是考慮到膨脹速度會減緩,則回溯的時間會比1054年還要早。但是依據多位天文學家的測量與計算,蟹狀星雲的起點比1054年晚了一百年左右。例如,巴德(Walter Baade, 1893-1960)在1942年經過比較精確的比對分析,反推蟹狀星雲是在1180年爆炸的,他隨後又修正為在1140年左右爆炸。這顯示蟹狀星雲中的物質膨脹有被加速的情形,才會在比較短的時間內膨脹成目前的大小。顯然地,必須依據更多年代的數據,才能找出蟹狀星雲膨脹的模式。

蟹狀星雲、波霎與中子星

第二次世界大戰結束後,電波天文學興起。澳洲積極發展電波天文學,波頓(John Bolton)與史丹利(Gordon J. Stanley, 1922-2001)在1947年捕捉到金牛座有一個強電波源,稱為金牛座A,他們認為金牛座A電波源是蟹狀星雲發出來的。

當無線電脈動星(簡稱波霎)在1967年被休許(Antony Hewish)與他的研究生喬瑟玲.貝爾(Jocelyn Bell)發現後,電波天文學家使用位於波多黎各口徑三百公尺的巨大電波望遠鏡,在1968年11月9日偵測到蟹狀星雲中有一個無線電脈動星,每0.033085秒脈動一次,即每秒鐘脈動33次。兩個月後,在1969年1月15日發現它也是一個可見光脈動星,因此被用變星的命名方式稱為金牛座CM星(CM Tau)。

天文學家早在1930年代就提出中子星的理論,但被視為純粹是理論上的產物而非實際上的物體,所以沒有引起太大的注意。直到波霎的發現,中子星理論才被用來解釋波霎的現象。依據天文物理的計算,一個質量比太陽大三倍以上的恆星,在其演化末期可能經由超新星爆炸,將恆星本身炸碎四散,而中心物質則被擠壓成密度極大、直徑約為數十餘公里的天體,其主要成分幾乎都是中子,所以稱為中子星。

中子星很小,自轉速率很快,慢的約數秒轉一圈,快的一秒鐘可以轉數十圈以上。溜冰選手在定點轉動時,兩手伸張時轉得比較慢,當瞬間將兩手縮回抱著自己或往頭的上方併攏時,轉速瞬間加快。同樣的情形也發生在中子星上,當超新星爆炸時,一個體積為太陽體積一百萬倍以上的龐大超巨星,縮成一個直徑數十公里的中子星,自轉速率被加快數百萬倍以上。

天文學家認為蟹狀星雲中的波霎,是一個直徑10公里、快速自轉的中子星,每秒鐘轉33圈。在可見光波段,它是一顆16星等的暗星,其絕對星等大約是4.5,比太陽亮一點。用可見光、紅外線、X光、無線電波,甚至珈瑪射線,都觀測到脈動的現象,表示它是一個年輕的中子星。隨著時光消逝,中子星一直消耗能量,自轉的速率會逐漸減慢,首先珈瑪射線的脈動現象會消失,再來是可見光的脈動停止,最後只剩下電波脈動。經過約一百萬年以後,脈動現象會隨著自轉太慢而不復見,就成為一個沒有「波霎」現象的中子星。

中子星的性質與一般恆星不同,光是體積小、密度大這件事就顯得非比尋常。中子星的質量約為太陽的兩、三倍,但體積卻比太陽小了一兆倍左右,也就是說密度比太陽大了一兆倍左右。用一個小湯匙舀水,水重大約一克,而舀一小湯匙中子星的物質重約數千噸。如果將一小湯匙的中子星物質放在天秤的一邊,另一邊必須放上一艘「鐵達尼號」之類的郵輪才能平衡。

另外,一般恆星發光發熱是由中心區的核融合反應提供光與熱,而中子星並沒有核融合反應,只是靠著形成時的高溫散發輻射,以及帶電粒子在強大磁場下所發出的輻射。中子星擁有強大的磁場,磁場強度高達數百萬高斯以上。以地球做為比較,地球表面平均磁場強度約為半高斯,而一般屬於文具與玩具類的磁鐵約有數十高斯。

物理學家早就知道帶電粒子有加速運動,就一定會發出輻射,而且加速越大,輻射能量越高。加速能量最低的發出無線電波,能量高些則發出可見光,更高的則發出X光,甚至珈瑪射線。雪可夫斯基(Iosif Samuilovich Shklovsky, 1916-1985)在1953年提出同步加速輻射的理論,是說在磁場中運動的電子,會繞著磁力線運動,並且隨著磁場強度的增強而加速,發出輻射。由於同步輻射具有偏極性,因此很容易辨認。使用偏光鏡可以輕易地確定光源是否具有偏極性,而且可以量出偏極化的方向。這種同步輻射與一般因為溫度高低所發出的輻射不同,所以又常稱為「非熱輻射」。依據觀測,蟹狀星雲所發出的電波、可見光、X光……都具有偏極性。

許多人都知道指南針所指的北極,並不是地理北極而是磁北極,也就是說,地球的磁北極與地理北極並不重疊,磁北極隨著地球自轉繞著地理北極轉。同樣的情形也發生在中子星上,中子星的磁北極與地理北極並不重疊,中子星的磁北極也隨著中子星的自轉而快速地繞著地理北極轉。在中子星南北兩個磁極區域的磁場最強,所以由極區發出很強的輻射。如果中子星的自轉軸角度傾斜適當,則當中子的磁極區對著我們時,可以觀察到由磁極區發出的輻射;而中子的磁極區轉到背面時,就看不見由磁極區發出的輻射了,這就形成了類似燈塔或警示燈一閃一閃的脈動效果。天文學家相信,波霎便是快速自轉的中子星所發出來的電波脈動。

到目前為止,哈伯太空望遠鏡是人類製作光學品質最精良的望遠鏡,是高科技產物下的藝術精品。哈伯太空望遠鏡在1990年進入環繞地球的軌道後,不負眾望傳回許多令人驚艷的影像。在1996年拍攝的蟹狀星雲影像中,顯示蟹狀星雲中環繞「波霎」的區域,產生了往外傳播的波動,而且傳播速度高達光速的一半。另外,也觀察到在兩極沿著自轉軸外移的噴流,在這噴流的尾端還可以看到震波高速掃過周圍物質累積成的弓形波形。

蟹狀星雲與X光

由於地球大氣吸收了對人體有害的X光,來自太空的X光在高空四十多公里處就被吸收殆盡,因此無法在地面上進行X光波段的天文觀測。早期的X光偵測儀是載在探空火箭上,升入大氣對流層以上的高空去偵測太空中的X光源,其解析度並不高,無法確定X光源的精確位置。

金牛座是黃道十二星座之一,月球軌道大致與黃道相近,月亮大約每隔十年會有幾個月的時間經過蟹狀星雲。美國海軍研究實驗室(US Naval Research Laboratory,  NRL)的佛萊德曼(Herbert Friedman)及其研究群,利用月球經過蟹狀星雲的機會,在1964年藉載有X光偵測器的探空火箭進行觀測,確定蟹狀星雲會發出X光,並且清楚顯示X光並不是局限在其中一個點源上,而是整個蟹狀星雲都發出X光。這是第一個被確認的太陽系外的X光源。計算顯示,蟹狀星雲在X光波段所發出的能量,是太陽所有輻射總能量的一千倍。

哥白尼X光天文衛星在1974年10月7日利用月球經過蟹狀星雲的機會,證實整個蟹狀星雲大致均勻地發出X光,也顯示蟹狀星雲發出X光範圍的中心與波霎並不重疊。同時,利用探空火箭也觀測到同樣的現象。這種情形顯示,電子被強大磁場同步加速的過程遍及整個星雲,並不是只限於在波霎附近。而且,強大的磁場能夠將帶電的游離氣體加速,就說明了星雲膨脹加速的原因。

錢德拉(Chandra)是目前解析度最高的X光太空望遠鏡,解析度小於一角秒,相當於分辨在一公里外的一元硬幣大小。所拍攝的蟹狀星雲影像整體呈現模糊狀的鐘型,波霎周圍呈現明顯的環狀,內環直徑大約是一光年。而一道噴流狀構造延著垂直環狀的方向由波霎處噴出。

蟹狀星雲距離我們約6,300光年,直徑大約是10光年。總亮度大約是8.4星等,因此很容易看見它。比較各波段所拍攝到的蟹狀星雲影像,顯示X光範圍最小,無線電波範圍最大。錢德拉X光所拍攝的影像大約是可見光星雲的40%,但是可見光影像大小只有無線電波影像的80%。

中國宋朝在1054年第一次觀測到天關客星,歐洲在18世紀注意到蟹狀星雲,到了20世紀初期發現蟹狀星雲在膨脹中,而蟹狀星雲中的波霎約在三十多年前被發現,上下歷時一千年,並且伴隨著電波望遠鏡、X光望遠鏡、光譜……等技術的進展,才見識到蟹狀星雲的各種面貌。同時,也伴隨著同步加速輻射、中子星、重質量恆星演化等理論的發展,才將天關客星、蟹狀星雲、超新星與波霎等串聯起來,也才對超新星與蟹狀星雲的本質有具體的認識與了解。重現了重質量恆星演化末期的情節,了解經由超新星爆炸後,產生中子星與波霎的機制,以及殘骸膨脹的各種性質。

蟹狀星雲事件顯示天文觀測與紀錄的重要性、天文學傳承與開創新局的關聯,以及理論與技術相互激盪所產生的波瀾。正是這種多元與創意的環境,才認識到原先個別獨立研究的事件不過是重質量恆星在演化末期的一連串過程:蟹狀星雲、中子星、波霎、同步加速輻射……,有如一顆顆晶瑩剔透的珍珠,天文學家匯集所有「珍珠」後抽絲剝繭,整合成一串「貫穿全局」的珍珠項鍊。

附錄

角度的單位是度、分、秒。一度有60分,一分有60秒。為了與時間單位的時分秒區別,天文學家把角度的分與秒稱為「角分」與「角秒」。

偏光鏡是一種濾鏡,只讓某一偏極化的光線通過。偏光鏡有許多實用性,例如玻璃反光具有偏光性,因此要從玻璃櫥窗外拍攝櫥窗內的景物,在鏡頭前面加上偏光鏡,旋轉到適當的角度,便能消除櫥窗玻璃的反射光,而清楚拍攝到玻璃櫥窗內的景色。大氣中的分子、綠草、雪地也反射陽光,因此戶外攝影時,也常用偏光鏡來消除反射的陽光,可以使藍天更藍、綠草更綠。而滑雪者所戴的太陽眼鏡也常是用偏光鏡所製成,可以減弱雪地的反光而比較不刺眼;偏光鏡所製成的太陽眼鏡也可以做為一般太陽眼鏡使用。如果使用兩片偏光鏡,轉動使彼此的偏光性質互成90度,則會將光線全都濾掉成為一片黑暗。

相關網站
  1. http://www.seds.org/billa/twn/n1952x.html
  2. http://seds.lpl.arizona.edu/messier/m/m001.html
  3. http://sirtf.caltech.edu/Education/Messier/m1.html
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